Датчик угла отклонения от вертикали

 

ДАТЧИК УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ ОТ ВЕРТИКАЛИ, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого установлена на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты , а чашеобразный полюрный наконечник выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых р, /Р2 1, а вязкостей 1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как fg/f т-Ю, а в выходной цепи усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте f, где р1 и PJ - соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, а и - соответственно их вязкости, f - частота переменного тока генератора; fg - частота питания феррозонда .

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК зЬи Е 21 В 47/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3455280/22-03 (22) 22.06.82 (46) 15.05.84. Бюл. № 18 (72) А. А. Хазен (53) 622.242 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 488916, кл. E 21 В 47/02, 1975.

2. Авторское свидетельство СССР № 597821, кл. E 21 В 47/02, 1978. (54) (57) ДАТЧИК УГЛА ОТКЛОНЕНИЯ

ОТ ВЕРТИКАЛИ, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого установлена на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен ге„„Я0„„1092270 А нератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюсный наконечник выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых р, /P,>1, а вязкостей Q,/ <1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как 1,/1„-, 10, а в выходной цепи усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте f„, где У и Я вЂ” соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, а /, и — соответственно их вязкости, f — частота переменного тока генератора; f — частота питания феррозонда.

1092270

2 1в/fí > 20, Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в геофизических скважинных инклинометрах, телеметрических системах контроля бурения, автоматизированных системах ориентации, в частности при проводке туннелей.

Известен датчик отклонения от вертикали, содержащий феррозонд, электромагнит, чашсобразный полюсный наконечник (1I .

Наиболее близким к предлагаемому является датчик угла отклонения от вертикали, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, электромагнит с

1. катушкои течения, неподвижный чашеобразный и конусный полюсные наконечники, катушка питания электромагнита, установленная на основании конусного полюсного наконечника вдоль его оси (2).

Недостатками указанных устройств является наличие остаточной намагниченности подвижного полюсного наконечника, созда югцей случайную погрешность и высокие требования к размагничиванию деталей магнитопровода, высокие требования к точности выполнения сферы полюсного наконечника, необходимость использования для магнитопровода дорогих пермаллоев, а также необходимость независимого датчика магнитного меридиана для привязки измеряемых углов отклонения. Все это снижает точность измерений.

Цель изобретения — повышение точност l I .

Указанная цель достигается тем, ITo датчик угла отклонения от вертикали, содержащий кольцевой феррозонд с усилителем и индикатором, подвижный чашеобразный и конический полюсные наконечники, электромагнит, катушка питания которого устаповлеHB на основании конического полюсного наконечника вдоль его оси, снабжен генератором переменного тока и фильтром частоты, а чашеобразный полюсный наконечниик выполнен из неферромагнитного материала и заполнен двумя несмешивающимися жидкостями, отношение плотностей которых Я /Я>1, а вязкостей 7, 1, причем катушка питания электромагнита подключена к генератору переменного тока, частота питания которого относится к частоте питания феррозонда, как f,Дн> 1О, а в выходной цени усилителя феррозонда установлен фильтр с пропусканием на частоте f„, где g u g — соответственно плотности жидкостей, которыми заполнен чашеобразный наконечник, г/см - ;

,, — соответственно вязкости; — частота переменного тока генератора; частота питания феррозонда.

На чертеже представлена принципиальная схема конструкции предлагаемого датчика.

2

В катушку питания 1 конического полюсного наконечника 2 подается напряжение переменного тока с частотой от генератора 3. По оси катушки перпендикулярно этой оси устанавливается кольцевой феррозонд 4 с тороидальной обмоткой 6 питания и плоской обмоткой 6 выхода. При необходимости двухкоординатных измерений обмотка 6 дублируется, ось ее перпендикулярна оси первой (для простоты на чертеже опущена).

Обмотка 5 питания феррозонда 4 соединена с генератором 7, имеющим частоту f . Обмотка выхода 6 может быть конструктивно объединена с обмоткой отрицательной обратной связи. Обмотка 6 выхода феррозонда 4 соединена с входом резонансного усилителя 8, имеющего полосу пропускания в зоне частоты 2fв. Выход усилителя 8 подключен к фильтру 9, пропускающему только частоту f„. Сигнал с выхода фильтра 9 поступает в полярности положительной областной связи с коэффициентом K+a обмотку 6 на феррозонде 4. Так как частота выходного сигнала феррозонда, равная 2f, относится к частоте питания катушки 1 как то использование конструктивно одной обмотки 6 для функций выхода и обратной связи не создает дополнительных трудностей. Этот же сигнал с выхода фильтра 9 поступает на вход усилителя 8, содержащий блок 10 трансформации частоты и полярности и обеспечивающий получение на входе усилителя положительной обратной связи с коэффициентом К+.При выполнении условия на приведенные значения коэффициентов К+ К выходной сигнал остается таким же, как и без обратных связей, а магнитное поле на частоте 1н в середнике сильно ослабляется, в то время как постоянная составляющая магнитного поля, например земного, остается прежней.

Чашеобразный полюсный наконечник 11 заполнен жидкостью с высокой проводимостью, например ртутью, но его можно также, заполнить ферромагнитной суспензией. Чашеобразный полюсный наконечник расположен по оси катушки и при вертикальном положении датчика поверхность жидкости 12 перпендикулярна оси датчика.

Датчик вертикали работает следующим образом.

При подаче в катушку 1 питания переменного тока с частотой 1„от генератора 3 на оси катушки полюсный наконечник 2 создает магнитное поле, симметричное относительной этой оси. Поэтому в сердечнике кольцевого феррозонда 4 суммарное магнитное поле в плоскости кольца равно нулю.

Магнитное ноле катушки 1 также индуцирует кольцевые токи в проводящей жидкости 12, заполняющей чашеобразный полюсный наконечник 11. Когда датчик вертика1092270 лен и поверхность жидкости 12 перпендикулярна его оси симметрии, т.е. оси катушки 1, индуцированные в жидкости токи только ослабляют поле катушки 1, не изменяя его симметричности относительно оси. Когда ось датчика наклонена по отношению к вертикали, эти же кольцевые токи создают наклонную к оси составляющую магнитного поля на частоте f, вызывающую на выходе феррозонда 4 сигнал на частоте 21 который усиливается усилителем 8 и после синхронного детектирования и фильтрации фильтром 9 непосредственно используется для измерения угла отклонения от вертикали.

Поле с частотой 1„индуцирует также в обмотках феррозонда непосредственно сигнал на частоте f, но он не пропускается усилителем 8, что позволяет ослабить требования к точности изготовления и установки обмоток. Так как толщина сердечника феррозонда 4 всегда может быть сделана много меньше его диаметра, то намагничивание сердечника феррозонда полем, перпендикулярным его плоскости, всегда очень мало и на выходной сигнал не влияет.

Так как в датчике целесообразно использование жидкостей с высокой проводимостью, например ртути, то в чашеобразный полюсный наконечник 11 проникает только очень малая часть от основного магнитного поля и в этих условиях его можно выполнить из непроводяшего неферромагнитного материала, например, пластмассы. Значительное ослабление поля под поверхностью жидкости 12 дает возможность отказаться от той части магнитопровода, которая соединяет конический полюсный наконечник 2 и чашеобразный 1. Тогда на кольцевой феррозонд действует невозмушенное поле земли и создает в нем постоянный сигнал, зависящий от ориентации обмотки 6 относительно магнитного меридиана. Если на выходе усилителя 8 выделить постоянную составляющую сигнала феррозонда 4 и измерять ее одновременно с составляющей на частоте f, то можно определить ориентацию угла отклонения от вертикали относительно магнитного меридиана. Для этого целесообразно использовать две взаимно перпендикулярные обмотки 6 и две идентичные схемы усиления сигнала.

Величина магнитного поля, индуцированного кольцевыми токами в ртути, много больше земного магнитного поля и в фильтрации постоянной составляющей этого сигнала могут возникать трудности. Поэтому соединяют выход фильтра 9 с обмоткой 6 таким образом, чтобы сигнал с фильтра ослаблял действующее на феррозонд поле на частоте f„. Постоянная составляющая сигнала через этот фильтр не проходит и земное поле не ослабляется. Для того, чтобы на выходе сигнал на частоте 1„при этом не ослаблялся,из той же точки выхода фильт45

S0

5

40 ра 9 подают сигнал на вход усилителя 8 таким образом, чтобы он усиливал входной сигнал. На входе усилителя 8 сигнал может быть только на частоте 21, поэтому вводим блок 10, осуществляющий трансформацию частот. Этот блок можно выполнить в виде феррозонда, помещенного в экран. Такая комбинация отрицательной и положительной обратной связи в усилителях известна и она приводит к тому, что при ky К выходной сигнал не изменяется. Эти преобразования ос iществляются только для сигнал» н : час тоте f, связанного с отклонением о-. н ртикали, а,для постоянной составля1оцц Р, иг— нала оНН не действуioT, поэтому lo точки включения положительной обратной связи постоянная составляющая сигнала много больше переменной, связанной с отклонением от вертикали. Этот выход дает сигнал о земном магнитном поле.

Конический полюсный наконечник перпендикулярен плоскости феррозонда, поэтому создаваемая им за счет земного магнитного поля намагниченность не влияет на точность отсчетов земного магнитного поля.

Описываех|ый датчик характеризуется большой механической прочностью и устойчивостью к вибрациям, возможностью сильного уменьшения диаметра датчика по отношению к прототипу, повьппением точности при сохранении широкого диапазона измерений за счет устранения влияния остаточной намагниченности. отсутствием требований к малой остаточной намагниченности матерна ioB, используемых для магнитопровода вплоть до полного отказа от ферромагнитных материалов в магнитной цепи, а также отсутствием требований к точности выполнения сферы полюсного наконечника, так как проникновение поля в ртуть мало и форма тела, образованного жидкостью в полюсном наконечнике вдали от ее поверхности, не влияет на выходной сигнал.

Для демпфирования колебаний жидкости и гашения волн на ее поверхности датчик заполняют двумя несмешивающимися жидкостями. одна из которых взаимодействует с магнитным полем, а другая нет, например ртуть и масло или ферромагнитная суспензия li водная суспензия диэлектрика. Вторая жидкость в паре выбирается по плотности меньше плотности первой жидкости, а по вязкости — больше, т.е. Pil pi 1 и g,/) 1, где > и, плотность и вязкость, а индексы соответствуют тексту: 1 — жидкость, взаимодействующая с магнитным полем; 2 жидкость не взаимодействующая с магнитным полем. Под взаимодействием понимается ослабление или усиление магнитного поля жидкостью под ее поверхностью: ослабление за счет индуцированных токов в проводящей жидкости; усиление — в ферромагнитной суспензии.

Ц(Х03 Ы НИЛК КОИПОН НГпЫ земипгп пюу

Рф4Ядmummy>g

Составитель И. Карбочинская

Редактор Л. Гулько Текред И. Верес Корректор В. Синицкая

Заказ 3220/2! Тираж 564 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент: >, г. Ужгород, ул. Проектная, 4